卫星通信与5G（下）

钟 旻

（接上期）

3 卫星与地面5G的融合[1][4][5][9]-[11]

3.1 卫星通信系统组成与网络架构

典型的卫星通信系统由空间段（卫星星座）、地面段（包括测控站、信关站等）和用户段（包括固定和移动终端）组成，如图15所示。

图15 卫星通信系统的组成

地面段中的卫星操作控制中心负责管理星座系统的运行，它收集来自全球各地的卫星测控站对卫星的遥测、跟踪数据，通过跟踪和分析遥测数据管理星座，确保卫星星座正常运行。在一个通信区域内，用户终端、过顶卫星和网关站一起构成一个星形通信网。网关站完成通信基站的功能，负责通信服务区内用户终端的通信接入。另外，网关站还承担星座通信系统与地面通信网络（如公众电话交换网、公众交换数据网、互联网）等其他网络的接口功能。

网关站通过卫星到达用户终端的链路称为前向链路（Forward Link）；而用户终端通过卫星到达网关站的链路称为反向链路（Return Link）；网关站与卫星之间的链路（双向）称为馈电链路（FeederLink）；用户终端与卫星之间的链路（双向）称为用户链路（User Link）。每个卫星通信系统都有一定的网络结构，使各用户设备通过卫星按一定形式进行联系。

由多个用户设备构成的通信网络，可以是星形的也可以是网格形的，如图16所示。在星形网络中，外围各用户设备仅与基站（网关站）直接发生联系，各用户设备之间不能通过卫星直接相互通信（必要时要经基站转接才能建立联系）。图中的用户设备也可以是中继节点（RN），通过它与用户设备连接；网格形网络中的各用户设备，也可以是网关站，彼此可以经卫星直接沟通。除星形和网格形网络之外，也可以是上述两种网络的混合形式。

图16 卫星通信网络拓扑

利用星形网络可实现点对点和点对多点连接，点对多点的应用如传统的卫星广播电视，又如物联网中将分散的众多传感器采集的信息数据汇总到基站（数据处理控制中心）等；利用网格形网络可实现同等用户之间的连接，如公司间的协作联系、视频会议等。

图17是采用透明转发器卫星和处理转发器卫星时的网络架构。在接入方式中，用户可通过卫星直接接入；另一种方式是通过中继节点（RN）接入。无论是直接或间接的接入，接口均为新无线（NR）。图中，NGC是下一代核心网（Next Generation Core Network，NGC），是一个以软交换为核心的，能够提供包括语音、数据、视频和多媒体业务的基于分组技术的综合开放的网络架构；gNB是下一代节点B（Next Generation Node B，gNB），也即5G基站，它向用户设备（UE）提供新无线（NR）用户平面和控制平面协议和功能节点，并且经由NG接口连接到5G核心网。对于透明转发卫星系统，gNB放在地面上；对于再生处理卫星系统，gNB放在星上，成为星上处理的一部分。

图17（a） 5G卫星系统架构-利用透明转发卫星[1]

图17（b） 5G卫星系统架构-利用再生处理卫星[1]

5G新无线（New Radio，NR）是为适应5G场景应用（eMBB，mMTC，uRLLC等）的新的空中接口（简称“空口”）。对于无线移动通信，是移动的用户设备与基站之间的边界，由适当的特征规范来定义，通常用于确保边界处格式、功能、信号和相互连接的兼容性。具体到5G，包括所使用的频谱（＜6GHz和＞6GHz）、波形、调制编码方式、多址接入方式、多天线技术、灵活的双工方式、可变速率的灵活的帧格式、移动切换、时延控制、信令，以及有关的无线协议等。

与上图相应的无线接入过程如图18所示。在利用透明卫星的架构中，用户与卫星之间的用户链路是传统的接收-转发的信道；而卫星与网关站之间的馈电链路，则是采用新无线的用户平面接口，之后通过NG接口到gNB进入5G核心网，再经N6（用户平面功能与数据网之间的参考点）与公共数据网连接。对于有星间链路的再生处理卫星的架构中，gNB是安装在星上的，用户设备与卫星之间的用户链路，需要新无线用户平面接口提供二者的连接。卫星与网关之间的馈电链路属于传输链路，网关站是传输网络层节点，它支持所有的传输协议。

5G中为便于网络的拓展、更新，给运营商提供更多的灵活性，引入了软件定义网络（SDR）和网络虚拟化（NFV）技术，将承载业务的用户平面（User Plane，UP）与负责确定业务路由和提供管理的控制平面（Control Plane，CP）分离。相应地NR无线协议栈也分为用户平面协议栈和控制平面协议栈，前者提供用户数据传输采用的协议簇，后者提供系统的控制信令采用的协议簇。据此，5G卫星网络也有此二平面。对于利用再生处理卫星的网络而言，分别如图19（a）、图19（b）所示。

图18（a） 5G卫星网的无线接入过程-利用透明转发卫星[9]

图18（b） 5G卫星网的无线接入过程-利用再生处理卫星[9]

图19（a） 利用再生处理卫星的5G网络用户平面的协议栈[9]

图19（b） 利用再生处理卫星的5G网络控制平面的协议栈（图来源[9]）

UPF-用户平面功能；GTP-U-GTP隧道协议-用户平面；UDP-用户数据报协议； IP-互联网协议；L1、L2-数据链路层；N11-接入及移动性管理功能（AMF）与进程管理功能（SMF）之间的参考点。

图中的网络功能内涵描述如表3所示。

表3 网络功能的内涵描述

3.2 卫星与地面5G的融合

在5G网络构建中，3GPP提出了非地面网络（Non Ter restial Network，NTN）的概念，定义为：利用空中机载或空间飞行器装载传输节点或基站的网络，或网络的一部分，将非地面网络与地面网络结合，可构成更为完善的5G网络。

实际上，从地面到太空，在不同的高度上，可配置相适应的平台，构成立体空间、多层次网络，利用“居高临下”的态势，实现对地球的无缝覆盖。如图20所示，在高端，有GEO、MEO、LEO和VLEO卫星，在20 km-100 km上的临近空间中，20 km-50 km间可配置高空平台（HAP）；在数十至数千千米高度上，可有无人机、气球等低空平台（LAP）。它们可直接与地面设备链接，各层间也可通过空间链路连接。

图20 立体多层次的通信架构（图来源[1]）

如前所述，GEO卫星具有极广的覆盖区，高通量卫星（HTS）可提供宽带、大容量通信业务，为用户传送25 Mb/s-100 Mb/s的服务，虽传播时延长，但可用于增强型移动宽带（eMBB）和海量机器类通信（mMTC）场景；对于巨型LEO、VLEO星座，除eMBB、mMTC应用外，还可提供某些低时延高可靠（uRLLC）场景服务。作为示例，图21给出了应用于eMBB场景的全IP卫星无线接入架构。其中，网关（GW）起着关键的作用，一方面GW与5G下一代核心网连接，提供到互联网和其他无线接入网络的接口；另一方面GW也是一个卫星地球站，可建立连接到卫星的馈电链路。当卫星为再生处理时，星上具有gNB功能；而当卫星为透明转发时，利用云-无线接入技术，gNB的处理功能云也是虚拟化的，可利用远地云去完成。

图21 应用于eMBB场景的卫星无线接入架构 （图来源[4]）

在卫星无线接入网中，馈电链路工作频率较高，如采用Ka、Q、V频段时，降水等坏天气影响严重，可能导致通信的中断，因此，需要设置多个网关来提供一定的冗余度。这些网关应能通过地面基础设施互联，使之具备切换功能。图中的用户设备，可以是小口径卫星终端，或是装有小型天线的手持机，与地面5G终端兼容。

卫星在广域“动中通”的应用中可发挥独特的作用。图22是通过卫星为5G提供“动中通”宽带业务的示意图。图中，地面上的移动终端通过5G基站进入分布5G核心网，再经卫星网关站进入卫星接入网，然后接入中心核心网；而海上和空中及陆上长途班列的移动终端，可直接通过卫星链路接入中心5G核心网。

图22 通过卫星为5G提供“动中通”宽带业务示意图（图来源[5]）

实际上，地面无线、有线（光纤）和卫星可组成综合的接入网，如图23所示。

图23 由地面无线、有线和卫星组成的5G综合接入网（图来源[3]）

除用作接入网外，卫星还有潜力可挖，图24是未来5G网络融合卫星的一些通信模式。第一种是仅有地面网络的通信模式；第二种用于直接通信，已如前所述；第三种是门控通信，根据网络控制器的控制，中心云利用卫星通过边缘节点，经网关将将信号传送给用户；第四种用于回程传输，即由边缘节点将集总的信号传送到中心云。此外，还可通过卫星进行云管理和编排。

图24 未来5G网络融合卫星的一些通信模式（图来源[5]）

图25描述了基于SDN/NFV的卫星网络与地面5G融合的架构。在先前的讲座中已介绍，引入SDN 和NFV是5G网络架构的重大革新，SDN将用户（数据）平面与控制平面分离，使网络控制成为直接可编程、具有开放、灵活的特点，简化了网络设计和操作；网络运营商可动态地构造、管理和优化网络资源，适应5G新应用和发展的需要。NFV通过软件实现虚拟化的网络功能，将路由器、交换机等硬件集中到远处或云中，使网络架构对于快速和自适应重构是高度灵活的，将SDN与NFV结合将使网络更为灵活和简化。

图25 基于SDN/NFV 的卫星与地面融合的网络架构（图来源[4]）

因此，卫星与5G融合也将在采用SDN/NFV的基础上进行。其中，物理基础层（用户平面）由地面接入网和卫星接入网组成，通过物理元素和互联传输网络连接。逻辑层（网络虚拟化）由逻辑节点，如用于卫星的逻辑网关和地面无线接入网的逻辑gNB组成。在这一层，控制器支持物理节点的控制平面，NVF管理器协调逻辑层上的虚拟功能；再往上，是一多维编排器（Multi-domain Orchestrator，MdO），编排器是一种自动化的网络协作平台，可以高效地管理核心网络，传输网络及网络切片，及时更新关于卫星域、地面域的消息，负责编排网络资源和跨域服务。

还有一种卫星与地面的接口是通过地球站网络的云连接，如图26所示[11]。考虑到卫星特别是低轨星座卫星数量大批出现，为收集和处理其海量数据，用户将需要建立大量的地球站，配备众多的服务器、存储器和路由器等基础设施，投资将是极为巨大的。为解决此问题，可通过一些运营商（如亚马逊AWS）已建成的地球站网，利用云接入技术，来获取所需要的信息资料。AWS由全球12个地球站组成全托管网络，当客户从地球站获得卫星数据，便可在计算云中进行处理，并存储在Amazon Simple Storage Service （S3）中，供进一步分析处理。据报导，AWS已向客户提供超过125项功能的服务，包括计算、存储、数据库、联网、分析、机器学习与人工智能、物联网、移动、安全、混合云、虚拟现实与增强现实、媒体以及应用服务等。

图26 AWS地球站系统提供云服务

4 结束语

卫星具有广播式覆盖的“天然”优势，是对5G地面网络不可或缺的补充和扩展，从5G的应用角度看，GEO、MEO和LEO卫星各有长短，按应用场景分层组网，与地面网络融合，形成无缝覆盖，前景是诱人的，当然，要变为现实还面临诸多挑战，如传播时延、频谱资源的共享、干扰的消除、网络的分工合作等，3GPP已推出了系统的系列化的技术解决方案，当然要将其变为现实，尚需进行大量的工作。

（全文完）